Đôi mắt đơn giản chỉ gồm hai tế bào dẫn động vật nổi đến với ánh sáng

Các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách thức hoạt động của những đôi mắt tiến hóa đầu tiên và cách mà chúng dẫn đường cho phiêu sinh vật sống dưới biển đến với ánh sáng.

Ấu trùng của các loài động vật biển không xương sống như giun, bọt biển, sứa có đôi mắt đơn giản nhất trong tự nhiên. Chúng chỉ bao gồm vỏn vẹn có 2 tế bào: tế bào tiếp nhận kích thích ánh sáng và tế bào sắc tố. Đôi mắt tối thiểu này được gọi là đốm mắt giống với “mắt nguyên thủy” mà Charles Darwin đề ra dành cho những đôi mắt xuất hiện đầu tiên trong quá trình tiến hóa của động vật. Chúng không thể tạo thành hình ảnh nhưng cho phép loài vật cảm nhận được hướng ánh sáng. Khả năng này đặc biệt quan trọng đối với tính hướng sáng - ấu trùng động vật nổi dưới biển bơi về phía ánh sáng. Vô số động vật phù du được ánh sáng dẫn lối mỗi ngày. Chuyển động của chúng dẫn dòng chảy sinh khối lớn nhất trên trái đất.

Detlev Arendt, cùng với nhóm các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu tại EMBL, cho biết: “Đã từ rất lâu không ai biết động vật hướng sáng nhờ đôi mắt đơn giản và hệ thần kinh đơn giản của chúng như thế nào. Chúng tôi nhận thấy rằng những đôi mắt đầu tiên xuất hiện trong thế giới động vật đã tiến hóa chính xác để phục vụ cho mục đích này. Hiểu được tính hướng sáng sẽ tiết lộ những giai đoạn đầu tiên trong tiến trình tiến hóa đôi mắt”.

Khi nghiên cứu ấu trùng sâu cát Platynereis dumerilii, các nhà khoa học phát hiện thấy một dây thần kinh kết nối với tế bào tiếp nhận kích thích ánh sáng thuộc đốm mắt, tế bào đó dẫn đến hành động bơi của ấu trùng. Tế bào tiếp nhận kích thích ánh sáng phát hiện ánh sáng rồi chuyển nó thành tín hiệu điện truyền theo hệ thần kinh của ấu trùng, điều này khiến cho mối liên hệ với các tế bào được tiếp nối với lông mao. Lông mao là các cấu trúc mỏng giống sợi tóc, ấu trùng vẫy lông mao để đẩy nước đi làm phát sinh chuyển động. Ánh sáng có chọn lọc chiếu vào đốm mắt làm biến đổi cử động của lông mao gần đó. Kết quả là gây ra biến đổi cục bộ trong dòng nước, nhưng cũng đủ để đổi chiều bơi, theo mô phỏng cách bơi của ấu trùng trên máy tính.

Ấu trùng sâu cát dưới biển Platynereis dumerilii có đôi mắt đơn giản nhất trong tự nhiên. Đôi mắt của chúng giống với những đôi mắt đầu tiên xuất hiện trong quá trình tiến hóa của động vật, cho phép ấu trùng định vị nhờ ánh sáng. (Ảnh: EMBL)

Tế bào đốm mắt thứ hai là tế bào sắc tố, với vai trò cảm nhận hướng dựa vào ánh sáng. Nó hấp thụ ánh sáng và phát ra bóng tối phủ lên tế bào tiếp nhận kích thích ánh sáng. Hình dạng của bóng tối này biến đổi tùy theo vị trí của nguồn sáng, và được truyền đạt tới lông mao qua tín hiệu của tế bào tiếp nhận ánh sáng.

Gáspár Jékely, cựu thành viên thuộc phòng thí nghiệm Arendt hiện là người chỉ đạo nhóm nghiên cứu tại MPI Sinh học phát triển, cho biết: “Platynereis có thể được coi là hóa thạch sống. Nó vẫn tồn tại ở cùng một môi trường như tổ tiên của nó hàng triệu năm trước, đồng thời vẫn giữ được nhiều đặc điểm giống tổ tiên. Nghiên cứu về đốm mắt ấu trùng của nó có lẽ là con đường gần nhất để chúng ta có thể tìm ra đôi mắt trông như thế nào khi chúng xuất hiện lần đầu tiên”.

Có thể sự kết hợp lại gần của cơ quan cảm nhận ánh sáng với lông mao đánh dấu một bước chuyển biến quan trọng trong quá trình tiến hóa đôi mắt của động vật. Rất nhiều loài động vật không xương sống dưới biển hiện nay vẫn sử dụng chiến lược này để hướng sáng.

Tham khảo
Jékely et al. Mechanism of phototaxis in marine zooplankton. Nature, 2008; 456 (7220): 395 DOI: 10.1038/nature07590